负载开关对电源轨进行电子开/关控制设计

出处:Digi-Key 发布于:2022-07-26 16:29:44

    在几乎所有的系统设计中,管理直流电源轨以及保护它们免受各种内部和外部故障模式的影响都是至关重要的。当有多个电源轨时,挑战就变得复杂了。在今天的系统中,采用小型、低功耗和电池供电型设计这样的情况越来越多。
    电源轨的管理始于一个电源管理集成电路 (PMIC),它根据需要指定开启和关闭流向电源轨的电流。PMIC 还负责管理多个电源轨之间的时间和顺序。然而,对电源轨的实际物理层面的控制是负载开关的任务,这是一种基于 MOSFET 的安排,可以接受允许电流通过或阻止电流的指示。
    除了诸如浪涌电流压摆率控制和超温保护等基本要求外,现在越来越多地要求负载开关提供其他功能和特性,如受控掉电、快速输出放电和真正的反向电流阻断等,但所有这些都很难用基于分立式 FET 的设计来实现。
    为了绕过这种复杂性,同时减少分立式实现方式所需的成本和电路板空间,设计人员可以选择负载开关 IC,将所需的功能与开关集成在一个封装中。这些集成式负载开关解决或避免了许多操作性的电源轨问题,也有助于满足许多移动或电池供电型设计要求。
    本文将讨论负载开关的作用,其基本功能、附加功能以及特性,正是这些功能使得它们不仅仅相对简单,而且可对电源轨进行电子开/关控制。文章将使用 Toshiba Electronic Devices & Storage CorporaTIon (Toshiba) 的 TCK12xBG 系列中的三个新型负载开关 IC 来描述这些要点,并展示如何应用它们来满足产品设计的需要。
    负载开关基础知识
    基本型负载开关只有四个引脚:输入电压、输出电压、使能和接地(图 1)。当一个逻辑电平控制信号施加到其 ON/OFF 控制引脚(可以是高电平有效或低电平有效)时,该器件即被启用,然后直通 FET 打开。这允许电流从输入引脚 VIN 流向输出引脚 VOUT,从而向负载电路提供电能。
  
    图 1:负载开关是一个基于 FET 的直通设备,它可以通过一个电子控制信号允许/阻止电流从直流电源流向其负载。(图片:Bill Schweber)
    负载开关不仅仅是一个封装的直通 FET。至少还包括控制逻辑、场效应管驱动器、电平移位器和各种电路保护功能,如过流保护和防回流(也称为反向电流),而过流和回流都会损坏系统及其元件。它们还可以实现其他有用的功能,如在电源轨开启时进行压摆率控制和超温保护。
    在其简单的应用中,负载开关用在电源和单个负载的电源轨之间,以便在需要时通过 PMIC 进行开启,或进入静态状态以节省电力(图 2)。
    图 2:在其简单的应用中,负载开关由 PMIC 控制,并控制流向负载的电流。(图片:Toshiba)
    负载开关参数
    负载开关有几个关键参数,设计人员必须评估。其中三个重要的参数分别是输入电压、输出电流和“导通”电阻。其他参数可能也很关键,具体取决于应用需要,包括:
    静态电流 (IQ):为负载开关供电所需的电流,其输出端没有任何电流。
    关断(待机)电流 (ISD):器件被禁用时流入 VIN 的电流。
    ON 引脚输入泄漏电流 (ION):器件启用时流入 ON/OFF 控制引脚的电流。
    低静态电流和关断电流在电池供电型应用中越来越重要,如可穿戴设备、智能手机和物联网模块,它们对电池寿命和运行时间有很大影响。
    过流保护
    负载开关的过流保护功能不仅仅是为了保护明确的故障,如负载处的临时或短路。也可能需要缓解输出电压下降的结果,在某些情况下,当一个电源轨为几个负载供电时,就会出现输出电压下降,并且一个负载的开启速度会更快(图 3)。电流需求的突然增加会导致电源的输出瞬间下降到其额定值以下。这个延迟或恢复期是由电源的负载瞬态性能和负载的具体情况决定的。
 
    图 3:一个负载开关可以给多个负载供电,这些负载可能不会同时启动和开通。(图片:Toshiba)
    反过来,这种下降可能导致第二个负载不能正常启动或行为不正常。由于这些原因,负载开关的限流功能是有用的,因为它可以缓和负载对电流需求增加所引起的输出电压下降。
    许多系统需要确保其多个负载以特定的顺序通电,并在每个电源轨进入活动状态之间有确定的时间。在这些情况下,可以在 PMIC 控制下使用多个负载开关,管理它们的顺序和相对时间(图 4)。
    
    图 4:通过使用多个负载开关,可以根据需要控制各种负载的开启顺序和时间,以保证系统正常运行。(图片:Bill Schweber)
    反向电流阻断
    负载开关的反向电流阻断正如其名称所述的那样:当输出侧的电压高于输入侧时,它可以防止电流反向流动。
    这可能是由于两种常见的情况造成的。首先,由于断开的电缆意外擦到了电池端子,甚至在重新连接时出错,电源(如汽车电池)可能无意中被接反了。它甚至可能是像普通用户把电池插反了这样的基本错误。
    第二种情况有些不太明显。考虑两个不同电压的电源被复用到一个负载上的情况(图 5)。共享输出侧的电压可以变得比低电压电源输入侧的电压高。在这种情况下,电流可以从高电压侧流向低电压侧,从而损坏低电压源。
    
    图 5:即使复用电源通过自己的负载开关连接,也会出现反向电流的问题。(图片:Toshiba)
    有三种方法来处理反向电流阻断问题:
    简单的方法是在输出端串联一个二极管。但是二极管上的电压降(标准硅二极管为 0.6 伏至 0.8 伏)降低了供电轨电压,而且二极管必须有足够的额定功率来耗散相应的热量。
    第二种方法是使用一个 MOSFET 与电源轨串联,但其导通电阻 (RON) 也会导致电压降,而且其热耗散要求必须得到满足。
    第三种选择是使用具有反向电流阻断功能的负载开关,它可以实现所需的防倒流对策,而不需要进行折衷。
    放电功能
    通常情况下,当电源多路复用器关闭时,自动放电功能会连接 VOUT 和 GND。拥有这种快速输出放电功能有很多好处:
    输出不是浮动的,总是处于一个已知的状态。
    下游模块总被完全关闭。
    然而,在有些情况下,快速输出放电是不可取的。
    如果负载开关的输出连接到电池上,当负载开关通过 ON 引脚被禁用时,快速的输出放电会导致电池耗尽。
    如果在一个两输入、一输出的多路复用器中使用两个负载开关(输出被绑在一起),那么通过快速输出放电就会不断地浪费功率,因为只要负载开关通过 ON 引脚被禁用,电流就会流经内部电阻到地。
    因此,在配置功率复用器与负载开关 IC 时,有必要选择不具备放电功能的负载开关。这时就需要一个称为真正反向电流阻断的负载开关功能。它可以防止从输出端流向输入端的反向电流,而不管负载开关的 ON/OFF 状态如何。
    具有这种功能的负载开关将输入电压 VIN 与 IC 中的输出电压 VOUT 进行比较,当 VOUT>VIN 时,防倒流电路启动(图 6)。
   
    图 6:真正的反向电流阻断可以防止电流从输出端流向输入端,无论负载开关是 ON 还是 OFF。(图片:Toshiba)
    与真正的反向电流阻断和自动放电功能相关的微妙之处还有更多;在 Toshiba 应用说明“负载开关 IC 的过流保护功能和反向电流防止功能”中对这些微妙之处进行了更详细的讨论。
    新型 IC 针对高增长应用
    负载开关并不新鲜,但它们越来越多地要根据特定应用的要求来进行定制。Toshiba TCK12xBG 系列下一代负载开关明确地证明了这一点,该系列包括三个器件:TCK126BG、TCK127BG 和 TCK128BG(图 7)。
 
    图 7:TCK12xBG 系列器件内部框图显示了其功能的简单性;图中所示为 TCK128BG。(图片:Toshiba)
    这三个 IC 的额定工作电压为 1.0 至 5.5 伏,电流为1 A,它们非常相似,但有些地方稍有不同,以便其以方式匹配特定应用的优先顺序和需求。它们的许多规格都优于其前代产品和现有的竞争设备。
    突出的是静态电流 (IQ) 的减少,从 110 纳安 (nA) 降至仅 0.8 nA,减少了 99.9%,提升超过两个数量级。此外,待机电流仅为 13 nA。典型导通电阻 RON 在 5.0 伏时为 46 mΩ,3.3 伏时为 58 mΩ,1.8 伏时为 106 mΩ,1.2 伏时为 210 mΩ。
    这些负载开关的其他属性均实现了电气规格超越。它们也远远小于 Toshiba 和其他供应商提供的相同电压/电流等级的其他可用器件。它们采用四引线 WCSP4G 封装,尺寸为 0.645 × 0.645 × 0.465 mm,焊球间距为 0.35 mm。这意味着相比前代间距为 0.4 mm 的 0.79 × 0.79 × 0.55 mm 封装,该负载开关减少了 34% 空间需要(图 8)。
   
    图 8:与其前代产品相比,TCK12xBG 器件的尺寸较小,所需的电路板空间减少了 34%。(图片:Toshiba,作者有修改)
    这种小尺寸为设计人员节省了很大电路板空间,而这一点对于可穿戴设备等超小型应用来说至关重要。此外,该封装有一个 25 微米 (μm) 的背面涂层,可以减少物理冲击和损坏,防止崩裂。
    该系列中的三个负载开关具有内置压摆率控制驱动器,在 3.3 伏时上升时间为 363 微秒 (?s)。这些开关之间的区别在于是否有快速输出放电功能,以及 ON/OFF 引脚的有效状态
    结语
    如果设计人员要满足小型电池供电型设备(如可穿戴设备和智能手机)以及物联网设备对低能耗、小尺寸和低成本的需求,具有高度集成功能的负载开关就显得至关重要。如上所述,Toshiba 的 TCK12xBG 系列负载开关具有静态电流低和尺寸更小的优势,带有满足功能和保护要求的集成元件,并简化了设计。
关键词:电子

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